經濟型數控系統中基于插補緩沖區的閉環控制方法

閉環控制是數控機床提高加工精度的重要方法。其控制精度的高低和響應速度直接決定著數控系統的加工精度和加工效率。目前，在經濟型數控系統中實現高精度的閉環控制，是各數控廠家和數控工作者面臨的一個難題。由于經濟型數控系統一般是以單CPU為控制核心。大部分的硬件功能均由軟件仿真來實現，因此控制效率不高，實現高精度的閉環控制具有相當的難度。因此，研究閉環控制原理，探討新的閉環控制實現方法，對提高經濟型數控系統的加工性能具有重要意義。

    

    1閉環控制原理

    數控系統基本的閉環控制原理是：控制核心將插補計算的理論位置與實際反饋位置進行比較，用其差值去控制進給電機，使實際值與理論值趨于重合，從而消除加工誤差。在經濟型數控系統中，閉環控制主要應用于工作臺的直線移動位置控制，其閉環控制模型見示意圖圖1[1，2]。

    在數控系統中，閉環控制與插補是緊密相關的，閉環控制以插補的數據為控制基礎。在實際應用中，常用的閉環控制實現方法主要有：

    1）間接控制方法

    間接控制方法將位置檢測的誤差值加人到插補過程中，通過修改插補數據的方法將加工誤差在下一次插補輸出的結果中得以修正，達到閉環控制的目的。這是一種軟件閉環控制方法，控制簡單，易于實現，經濟型數控系統由于本身的限制常用此法。不難看出，間接控制方法具有控制滯后、響應精度低的缺點，采用這種方法很難提高閉環控制精度。

    2）直接控制方法

    直接控制方法將位置檢測的誤差值反饋到驅動系統上，通過專門的硬件電路將其與插補數據綜合，形成對伺服電機的二次控制，達到減小誤差的目的。這是一種硬件控制方法，其控制實時性好、響應精度高，但硬件系統復雜，成本高，常用于高精度的數控系統中。在經濟型數控系統中，提高閉環精度的有效方法是采用直接控制方法。在實踐中，我們提出了基于插補緩沖區的閉環控制方法。

    2基于插補緩沖區的閉環控制方法

    數控系統的加工過程一般要經過插補、輸出脈沖、反饋等幾個過程，傳統的方法是插補一次，發出個脈沖，檢測一次誤差。在這種方法下，控制過程是一種順序過程，其中各個環節相互制約，因此很難實現誤差的快速響應�；�于插補緩沖區的閉環控制方法利用現代先進的多任務并行處理技術，采用前后臺控制模型來提高閉環響應速度。其基本原理是：建立一個高速插補緩沖插補區，插補過程插補出的控制數據存放在此緩沖區中。位控系統根據加工速度從此緩沖區中取出加工數據，并與反饋系統檢測的誤差數據合并處理。然后直接控制伺服電機。在這種方法下。位控過程與插補過程相對獨立，它們僅通過插補緩沖區進行數據傳遞，插補送人數據，它是在前臺實現的；位控提取數據，它是在后臺實現的。這種前后臺控制模型是一個多任務并行處理過程．它使插補和位控可以不順序實現，位控系統可以同時處理多個插補數據。而不必等待插補過程的執行．因此它可以隨時將誤差數據與插補數據合并處理，實時地跟蹤誤差，從而可以提高閉環控制精度。

    插補緩沖區定義為一個先進先出的數據隊列，長度可根據系統處理速度確定，以一個三軸數控系統為例，每一個數據節點為一個16位無符號整形數，格式定義如圖2。

    每個電機的控制數據由4位組成，第1、2位確定電機轉向：o0為不動；01為正轉；10為反轉。第3位指定該次進給是誤差補償數據還是正常插補數據。例如：緩沖區某個數據為0xxxx010x001x000，表示X軸不動，Y軸正向進給，Z軸反向進給。位控系統根據這些數據送出正確的電機控制字。

    基于插補緩沖區的閉環控制方法是由位控系統根據誤差補償數據自動與插補數據合并而實現的。例如同樣的插補數據，位控任務在發送給伺服電機之前會根據誤差數據重新設置．假設此時向正向有誤差（未移動夠），位控系統根據向的控制數據進行合并處理，在本例中向不動（x000），合并后變為xl01，即使電機正轉；如果向本身為反向（x010）．則合并為xl00，即電機不轉；如果向本身為正向（x001）則將誤差留到與下一個數據進行合并。經過這樣的處理之后，位控系統及時地將加工誤差進行樸膳，提高了反饋補償的響應速度。而傳統的間接控制方法是將誤差補償數據編人插補算法中，這樣補償被人為地滯后，其響應速度自然降低。

    3實驗

    實驗是在Ⅻ一CXZ300數控多功能機床上進行的。實驗中所用的閉環檢測元件是普通金屬光柵尺．其檢測分辨率為0.001mm，Z向電機的脈沖當量為0.01mm。光柵尺安裝在Z軸上，系統通過與光柵尺配套的檢測控制卡讀取數據。系統軟件采用多任務并行處理技術中的前后臺控制方法實現，位控模塊采用定時器中斷驅動運行，插補模塊采用循環控制方式運行，誤差檢測模塊由閉環控制卡的硬件中斷驅動運行。數控系統使用PID00通用微機做控制核心，插補緩沖區長度為200。

    實驗分別測試了高速（1500mm／min、2500mm／min）、中速（300mm／min、720mm／min）、低速（18mm／min、60mm／min）下的誤差補償情況，實驗結果見表1。

    數據表明，補償后誤差在0.01～0.03mm之間比沒有反饋補償的誤差0.02～0.05mm減小了1～2倍（此數據于1999年8月通過鑒定時所測），且高速時效果明顯，低速時效果較差，這主要是由于機床本身的精度較低所致。

    4結論

    實驗結果證明，在不使用特殊硬件系統的條件下，采用本文提出的閉環控制方法可以有效地提高數控系統的加工精度，是經濟型數控系統實現閉環控制的有效方法。